Devanados de motor de cobre frente a aluminio: 7 factores críticos

Los devanados de motor de cobre y de aluminio deben compararse como diseños completos, no como conductores de igual diámetro. El cobre se prefiere a menudo cuando el área del conductor es limitada o un motor existente ya ha sido calificado para el cobre. El aluminio puede evaluarse cuando una menor masa del conductor es importante y el motor puede acomodar un área de conductor mayor y la calificación de diseño requerida.

La opción correcta depende de siete factores interconectados: conductividad, sección requerida del conductor, masa del conductor, geometría de las ranuras y devanados, sistema de aislamiento, cobertura de normativas y el entorno operativo del motor o compresor.

Devobinados de cobre frente a aluminio: La respuesta corta

El cobre proporciona una mayor conductividad eléctrica para una sección transversal de conductor determinada. El aluminio tiene una densidad sustancialmente menor, pero se requiere una sección transversal de aluminio más grande para obtener la misma resistencia en la misma longitud de conductor.

Esto significa que el aluminio no es un reemplazo directo y de igual diámetro para el cobre. Las dimensiones de las ranuras, el diámetro del conductor, la resistencia total del devanado, el número de espiras, el espesor del aislamiento, los requisitos de fabricación y los requisitos de cualificación deben considerarse conjuntamente.

Una decisión práctica sobre devanados de motores de cobre frente a aluminio debe comparar los requisitos completos eléctricos, dimensionales, de aislamiento, de cumplimiento y de aplicación.

1. Compare la conductividad antes de comparar el diámetro del cable

La conductividad eléctrica es el punto de partida en una comparación entre el cobre y el aluminio, pero no es el criterio de selección final.

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) identifica el cobre recocido con la referencia 100%, según la Norma Internacional de Cobre Recocido. El aluminio de grado conductor eléctrico se suele referenciar con aproximadamente 61,8% según el IACS.

Utilizando estos valores de referencia, un conductor de aluminio requeriría aproximadamente 1,62 veces el área del conductor de cobre para lograr la misma resistencia en la misma longitud y a la misma temperatura de referencia:

Relación de área de conductores: 100 ÷ 61.8 ≈ 1.62

Esta es una comparación acotada de propiedades de materiales, no una regla de conversión universal para el diseño de motores. Una decisión real sobre el bobinado también debe tener en cuenta las tolerancias de los conductores, la temperatura de operación, el espesor del aislamiento, las dimensiones de las ranuras, la disposición del bobinado, la longitud total del conductor, la carga eléctrica y la base de homologación existente del motor.

Por esta razón, los cables de cobre y aluminio con el mismo diámetro nominal no deben describirse como eléctricamente equivalentes.

2. Calcule el área de conductor requerida

Cuando la resistencia del devanado objetivo y la longitud del conductor son fijas, la menor conductividad del aluminio normalmente requiere una mayor sección transversal metálica que el cobre.

Esto puede afectar a:

• El diámetro del conductor desnudo seleccionado
• El diámetro total después de la aplicación del esmalte
• El número y la disposición de los conductores que caben en la ranura
• El espacio libre y de aislamiento disponible
• La viabilidad de conservar un estator existente o una configuración de devanado
• El trabajo de calificación requerido para un cambio de material

Si un motor existente tiene espacio limitado en las ranuras, la mayor conductividad por unidad de área del cobre puede hacer que sea el punto de partida más práctico. El aluminio se evalúa de manera más adecuada cuando la geometría del motor puede acomodar el área de conductor requerida.

Por lo tanto, el equipo de diseño debe comparar propuestas de bobinado completas en lugar de muestras de alambre de igual diámetro.

3. Comparar la masa del conductor a resistencia equivalente

La densidad es una de las diferencias materiales importantes del aluminio. Los datos de referencia del NIST indican una densidad de aproximadamente 8,89 g/cm³ para el cobre y de aproximadamente 2,703 g/cm³ para el aluminio.

Al combinar los valores de densidad de referencia con la relación de área de los conductores de aproximadamente 1,62, se obtiene una relación de masa teórica entre los conductores de aluminio y cobre de aproximadamente 0,49 para una misma longitud y resistencia del conductor:

Relación masa-conductor de referencia: 1,62 × 2,703 ÷ 8,89 ≈ 0,49

Este cálculo solo se aplica al conductor en las condiciones de referencia indicadas. Esto no significa que un motor con bobinado completo de aluminio vaya a pesar automáticamente 51% menos.

El resultado real a nivel de motor depende del diseño del bobinado, la estructura del aislamiento, la configuración de las ranuras, la carcasa, las laminaciones, el sistema de conexión y cualquier otro cambio necesario para implementar y calificar el diseño.

Utilice el cálculo como referencia preliminar de selección de materiales y, a continuación, verifique la construcción propuesta mediante una revisión de ingeniería y la cualificación del prototipo.

4. Comprobar el espacio de la ranura y la geometría del bobinado

El material de bobinado del motor no se puede seleccionar independientemente de la geometría del estator y de la bobina. Un conductor que satisface el cálculo eléctrico también debe encajar en el espacio de bobinado disponible una vez incluido su espesor de aislamiento.

Antes de evaluar un cambio de cobre a aluminio, revise:

• Área de ranura disponible
• Diámetro del conductor desnudo
• Diámetro del alambre terminado
• Construcción de aislamiento requerida
• Número de espiras y longitud del conductor
• Disposición de devanados y geometría de bobinas
• Requisitos de autorización
• La base de calificación del motor existente

Un diseño con poco espacio disponible puede favorecer al cobre porque este ofrece una mayor conductividad por unidad de área. Un diseño nuevo o adaptable puede permitir que se considere el aluminio con un área de conductor adecuadamente aumentada.

El factor de ocupación de ranura debe verificarse utilizando las dimensiones reales del hilo terminado y las reglas de diseño del fabricante del motor. No debe estimarse únicamente a partir del material del conductor.

5. Seleccione el sistema de aislamiento y la clase térmica por separado

El conductor y el aislamiento de esmalte cumplen funciones diferentes. El cobre o el aluminio transportan corriente, mientras que el esmalte proporciona aislamiento eléctrico y debe soportar las condiciones térmicas, mecánicas, eléctricas y químicas especificadas.

Una clase térmica superior no significa que todos los motores deban utilizar dicha clase. La clase térmica tampoco establece por sí sola la idoneidad para un motor o compresor en particular. El cable seleccionado debe evaluarse como parte del sistema de aislamiento completo.

Las preguntas de selección importantes incluyen:

• ¿Qué clase térmica requiere el diseño del motor o compresor calificado?
• ¿Qué sistema de esmalte y tipo de aislamiento se especifican?
• ¿Qué pruebas eléctricas, mecánicas, térmicas y químicas se aplican?
• ¿El material del conductor solicitado se encuentra dentro de la especificación declarada?
• ¿Se requiere el reconocimiento de terceros para la configuración exacta de los cables?

Jingda suministra alambre de cobre esmaltado redondo y Alambre redondo de aluminio esmaltado para fabricantes de motores industriales, compresores, bobinas y componentes.

La selección del producto debe basarse en el conductor solicitado, el sistema de aislamiento, la clase térmica, las dimensiones, las normas aplicables y los requisitos a nivel de modelo.

Para obtener una explicación más amplia sobre los sistemas de aislamiento, consulte Tipos de aislamiento de alambre imantado y clases térmicas.

6. Verificar los estándares y el reconocimiento de UL a nivel de modelo

Las referencias de normas deben verificarse con la configuración exacta del producto. Una designación de alambre imantado NEMA, una norma IEC y un reconocimiento UL son herramientas de especificación relacionadas, pero no son intercambiables.

• Designación NEMA: Identifica una especificación definida de alambre imantado. El sufijo “-C” denota un conductor de cobre y “-A” denota un conductor de aluminio.
• Norma IEC: Define los requisitos y los métodos de ensayo para la construcción de hilo bobinado aplicable.
• Reconocimiento UL: Se aplica únicamente a las designaciones de materiales y configuraciones cubiertas por el archivo UL correspondiente.
• Especificación del cliente: Puede añadir requisitos dimensionales, de rendimiento, de aplicación o de cualificación más allá de la norma publicada.

El hilo de cobre redondo esmaltado clase 200 de Jingda utiliza un sistema de doble capa y está especificado mediante las normas MW 35-C / MW 73-C e IEC 60317-13. Las configuraciones seleccionadas cuentan con reconocimiento UL bajo el expediente E174580.

El alambre redondo de aluminio esmaltado Clase 220 de Jingda incluye rutas de especificación MW 35-A / MW 73-A. Las configuraciones seleccionadas cuentan con el reconocimiento de UL bajo el archivo E248026.

Estas declaraciones no significan que cada diámetro, espesor de aislamiento, designación de material o producto vendido dentro de una familia de productos más amplia tenga la misma cobertura de UL.

Los compradores deben verificar el modelo exacto, el material del conductor, la clase térmica, el rango de tamaño, la designación del material y la especificación aplicable antes de la aprobación.

Para obtener orientación adicional sobre adquisiciones, consulte cómo los compradores deben verificar el reconocimiento UL a nivel de modelo para el alambre esmaltado.

7. Separar la selección general del motor de la cualificación del compresor

Las aplicaciones de motores en general y de compresores herméticos no deben tratarse como entornos de diseño idénticos.

Para un motor convencional, la decisión sobre el material puede comenzar con la conductividad, el área del conductor, la geometría de la ranura, la clase térmica, el sistema de aislamiento, los requisitos eléctricos y la base de cualificación existente.

Para un motocompresor hermético, la configuración del hilo de bobinado también debe evaluarse dentro del sistema de aplicación completo. Dicho sistema puede incluir el refrigerante especificado, el lubricante, el barniz o material de impregnación, otros componentes de aislamiento, el proceso de fabricación y las condiciones de funcionamiento.

La clase térmica de un cable, la designación NEMA, la referencia IEC o el reconocimiento UL no deben interpretarse como una aprobación universal para todos los refrigerantes, lubricantes, barnices y diseños de compresores.

Los fabricantes de compresores deben definir los requisitos de cualificación para el sistema de aplicación exacto. La configuración del hilo de bobinado puede evaluarse entonces frente a esos requisitos controlados.

¿Cuándo debe elegir bobinados de motor de cobre?

El cobre suele ser el punto de partida más fuerte cuando:

• El área disponible para el conductor o la ranura es limitada
• La alta conductividad por unidad de área de sección transversal es importante
• El motor existente ya está diseñado y homologado para cobre
• Un cambio material requeriría un rediseño o recalificación exhaustivos
• La especificación del cliente requiere una configuración de cobre exacta.
• La ruta aplicable de IEC, NEMA o UL requiere una construcción de cobre verificada

Esto no significa que el cobre sea automáticamente la mejor opción para todos los motores. La decisión sigue dependiedo de los requisitos eléctricos, mecánicos, térmicos, de fabricación, de conformidad y comerciales completos.

¿Cuándo se deben evaluar los devanados de motores de aluminio?

Puede valer la pena evaluar el aluminio cuando:

• Una menor masa del conductor es un objetivo de diseño importante
• La geometría disponible puede acomodar la sección transversal requerida del conductor
• El motor se está diseñando de nuevo o se puede requeralificar
• El sistema de producción puede ser validado para el alambre de aluminio seleccionado
• La configuración exacta de aluminio cumple con los requisitos dimensionales y de aislamiento aplicables
• El estándar requerido y la cobertura de reconocimiento se pueden verificar

El aluminio no debe seleccionarse únicamente en función del precio del metal bruto. La revisión de ingeniería y compras debe tener en cuenta las dimensiones del alambre acabado, los requisitos de rediseño, el trabajo de calificación, los controles de fabricación, los requisitos de calidad y el costo total del programa.

Matriz de decisión para devanados de motores de cobre versus aluminio

Información que se debe incluir en una solicitud de cotización (RFQ) de alambre para bobinado de motores

Una solicitud de cotización (RFQ) técnicamente completa ayuda al fabricante de cables a identificar una ruta de producto adecuada y a resolver dudas sobre las especificaciones antes del muestreo.

• Tipo de equipo: motor o motocompresor
• Tipo de motor y entorno operativo
• Material conductor requerido, o confirmación de que ambos materiales pueden ser evaluados
• Diámetro nominal del conductor desnudo o rango de tamaño requerido
• Dimensiones requeridas del alambre terminado o espesor del aislamiento
• Clase térmica requerida
• Sistema de esmalte o aislamiento solicitado
• Norma aplicable NEMA, IEC, UL o especificación del cliente
• Designación de material UL o cobertura de archivo requerida, si corresponde
• Cantidad de prototipo, muestra o calificación
• Volumen de producción esperado y requisitos de envasado
• Dibujos del cliente, criterios de aceptación y requisitos de calificación

Para los proyectos de compresores, incluya los requisitos de calificación controlada de la aplicación para que el cable propuesto pueda evaluarse dentro del sistema correcto.

Cómo apoya Jingda en la selección de materiales

Para los devanados de motores de cobre frente a aluminio, Jingda revisa el conductor solicitado, las dimensiones, el sistema de aislamiento, la clase térmica, la ruta estándar y los requisitos de calificación antes de recomendar una ruta de producto.

Las vías de productos disponibles incluyen:

• Alambre de cobre esmaltado redondo
• Alambre redondo de aluminio esmaltado
• Cables de alambre de cobre redondo esmaltado clase 200 con especificación MW 35-C / MW 73-C e IEC 60317-13
• Rutas de alambre redondo de aluminio esmaltado clase 220 con especificación MW 35-A / MW 73-A

La selección y el cumplimiento deben confirmarse con respecto a la designación exacta del producto, el tamaño del conductor, el espesor del aislamiento, la clase térmica, las especificaciones del cliente y los requisitos de reconocimiento de terceros.

Solicitar soporte para la selección de materiales y proporcione su tipo de motor, preferencia de conductor, dimensiones del alambre, clase térmica, norma aplicable, requisitos de cualificación y volumen previsto.

Preguntas frecuentes sobre bobinados de motores de cobre frente a aluminio

¿Cómo deben los compradores comparar los devanados de motores de cobre frente a los de aluminio?

Los compradores deben comparar los devanados de motores de cobre frente a los de aluminio según la resistencia requerida, la longitud del conductor, el área del conductor, las dimensiones del cable terminado, el espacio disponible en la ranura, el sistema de aislamiento, la clase térmica, las normas aplicables y los requisitos de cualificación. El precio del metal en bruto o un diámetro nominal igual no deben utilizarse como único criterio de decisión.

¿Son equivalentes los devanados de los motores de aluminio a los devanados de los motores de cobre?

No. El aluminio tiene una conductividad eléctrica menor por unidad de área de sección transversal que el cobre. Por lo tanto, un bobinado de aluminio normalmente requiere un área de conductor diferente y debe evaluarse como parte del diseño completo del motor. Los hilos de cobre y aluminio de igual diámetro no deben tratarse como eléctricamente equivalentes.

¿Cuánto más grande debe ser un conductor de aluminio?

Utilizando los valores de conductividad de referencia de 100% IACS para el cobre recocido y de aproximadamente 61,8% IACS para el aluminio de grado conductor eléctrico, la relación teórica entre las áreas del aluminio y el cobre es de aproximadamente 1,62 para la misma longitud de conductor y la misma resistencia a la misma temperatura de referencia.

Se trata de una comparación de materiales acotada, no de un factor de conversión universal para el diseño de motores.

¿Un bobinado de aluminio siempre hace que un motor sea más ligero?

El aluminio tiene una densidad de conductor mucho menor que el cobre, por lo que puede reducir la masa del conductor. El cambio final en el peso del motor depende del bobinado completo, la geometría de las ranuras, el aislamiento, la carcasa, las laminaciones, las conexiones y cualquier cambio de diseño. Debe calcularse para el motor real.

¿Es el aluminio siempre la opción de menor costo?

No. El precio del metal crudo es solo una parte de la decisión. También se deben considerar los requisitos del alambre acabado, el área del conductor, el rediseño, los controles de fabricación, la calificación, los requisitos de calidad y el costo total del programa.

¿Se puede utilizar el mismo hilo magnético en motores y compresores herméticos?

La idoneidad no debe darse por sentada. Un compresor hermético requiere la evaluación de la configuración exacta del hilo de bobinado dentro del refrigerante, lubricante, barniz, sistema de aislamiento, proceso de producción y condiciones de operación especificados.

¿Cubre un expediente de UL todos los cables de cobre o aluminio de Jingda?

No. El reconocimiento de UL se aplica únicamente a las designaciones de material y configuraciones incluidas en el archivo UL correspondiente. Los compradores deben verificar el material del conductor, la designación del modelo, la clase térmica, las dimensiones y otras condiciones aplicables a nivel de modelo.

Fuentes y Referencias Técnicas

1. Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Tablas de alambre de cobre, Circular 31 de la NBS. Datos de referencia para la conductividad y densidad del cobre recocido.
2. Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Manual de conductores eléctricos de aluminio, NBS Handbook 109. Datos de referencia para la conductividad y densidad del aluminio de calidad para conductores eléctricos.
3. Comisión Electrotécnica Internacional, IEC 60317-13: Especificaciones para tipos particulares de alambres de bobinado.
4. Comisión Electrotécnica Internacional, IEC 60317-0-3: Requisitos generales—Alambre redondo de aluminio esmaltado.
5. Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos, NEMA MW 1000: Alambre imantado. Referencia para las especificaciones de alambre imantado, sufijos de conductores y estructura de referencia cruzada.
6. UL Solutions Product iQ, Archivo UL de Jingda E174580. La cobertura debe verificarse a nivel de designación de material y de configuración.
7. UL Solutions Product iQ, Archivo UL de Jingda E248026, configuraciones MW 35-A.
8. UL Solutions Product iQ, Archivo UL de Jingda E248026, configuraciones MW 73-A.